Ako je bunkové dýchanie a fotosyntéza takmer protichodné?

Bunkové dýchanie a fotosyntéza sú v podstate opačné procesy. Fotosyntéza je proces, pri ktorom organizmy vyrábajú vysokoenergetické zlúčeniny - najmä glukózu - chemickou „redukciou“ oxidu uhličitého (CO₂). Na druhej strane bunkové dýchanie zahŕňa štiepenie glukózy a ďalších zlúčenín chemickou „oxidáciou“. Fotosyntéza spotrebováva CO₂ a produkuje kyslík. Bunkové dýchanie spotrebováva kyslík a produkuje CO₂.

Pri fotosyntéze sa energia zo svetla premieňa na chemickú energiu väzieb medzi atómami, ktoré poháňajú procesy v bunkách. Fotosyntéza sa objavila v organizmoch pred 3,5 miliardami rokov, vyvinula si zložité biochemické a biofyzikálne mechanizmy a dnes sa vyskytuje v rastlinách a jednobunkových organizmoch. Atmosféra a moria Zeme obsahujú kyslík vďaka fotosyntéze.

Pri fotosyntéze CO₂ a slnečné svetlo sa používa na výrobu glukózy (cukru) a molekulárneho kyslíka (O₂). Táto reakcia prebieha v niekoľkých krokoch v dvoch fázach: svetlá fáza a tmavá fáza.

Vo svetelnej fáze energia zo svetla poháňa reakcie, ktoré rozdeľujú vodu a uvoľňujú kyslík. V tomto procese sa tvoria vysokoenergetické molekuly, ATP a NADPH. Chemické väzby v týchto zlúčeninách ukladajú energiu. Kyslík je vedľajším produktom a táto fáza fotosyntézy je opakom oxidačnej fosforylácie procesu bunkového dýchania, o ktorom sa pojednáva ďalej a pri ktorom sa spotrebúva kyslík.

Temná fáza fotosyntézy je známa aj ako Calvinov cyklus. V tejto fáze, ktorá využíva produkty svetelnej fázy, CO₂ sa používa na výrobu cukru, glukózy.

Bunkové dýchanie je biochemický rozklad substrátu oxidáciou, v ktorej sú elektróny prenesené zo substrátu do „akceptora elektrónov“, ktorým môže byť ktorákoľvek z rôznych zlúčenín alebo kyslík atómy. Ak je substrátom zlúčenina obsahujúca uhlík a kyslík, ako je glukóza, oxid uhličitý (CO₂) sa vyrába glykolýzou, rozkladom glukózy.

Glykolýza, ktorá prebieha v cytoplazme bunky, rozkladá glukózu na pyruvát, viac „oxidovanú“ zlúčeninu. Ak je prítomné dostatok kyslíka, pyruvát sa presunie do špecializovaných organel nazývaných mitochondrie. Tam sa rozkladá na acetát a CO₂. CO₂ je prepustený. Acetát vstupuje do reakčného systému známeho ako Krebsov cyklus.

V Krebsovom cykle sa acetát rozkladá ďalej, takže jeho zvyšné atómy uhlíka sa uvoľňujú ako CO₂. Toto je opak jedného aspektu fotosyntézy, viazania uhlíkov z CO₂ spolu na výrobu cukru. Okrem CO₂, Krebsov cyklus a glykolýza využívajú energiu z chemických väzieb substrátov (napríklad glukózy) na vytvorenie vysokoenergetických zlúčenín, ako sú ATP a GTP, ktoré sa používajú v bunkových systémoch. Vyrábajú sa tiež vysokoenergetické redukované zlúčeniny: NADH a FADH2. Tieto zlúčeniny sú prostriedkom, pomocou ktorého elektróny zadržiavajú energiu pochádzajúcu pôvodne z nich glukóza alebo iná zložka potravy, sa prevedú do ďalšieho procesu, ktorý sa nazýva transport elektrónov reťaz.

V reťazci transportu elektrónov, ktorý sa v živočíšnych bunkách nachádza väčšinou na vnútorných membránach mitochondrií, sú redukované produkty ako napr. NADH a FADH2 sa používajú na vytvorenie protónového gradientu - nerovnováhy v koncentrácii nepárových atómov vodíka na jednej strane membrána vs. ostatný. Protónový gradient zase riadi produkciu väčšieho množstva ATP v procese nazývanom oxidačná fosforylácia.

Fotosyntéza celkovo spočíva v energizácii elektrónov svetelnou energiou na zníženie (pridanie elektrónov) CO2 k vytvoreniu väčšej zlúčeniny (glukózy), pri ktorej sa ako vedľajší produkt vytvára kyslík. Bunkové dýchanie na druhej strane zahŕňa odoberanie elektrónov zo substrátu (napríklad glukózy), ktorý má byť povedzme oxidácia, a pri tom sa substrát degraduje tak, že jeho atómy uhlíka sa uvoľňujú ako CO2, zatiaľ čo kyslík áno spotrebované. Fotosyntéza a bunkové dýchanie sú teda takmer opačné biochemické procesy.